Игорь Сачков - Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Рис.4. Древний ледник Гренландии, https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2019/06/01_greenlandicesheet_nationalgeographic_1938848.jpg

Возможность оледенения севера Европы давно известна. Установлено, что с периодом, равным примерно 100 тыс. лет, на севере планеты возникали ледники, подобные тем, которые сейчас покрывают Антарктиду. Их центры совпадали с гористыми участками суши: Скандинавией, Гренландией, Северным Уралом, а также и с «южными» горами: Альпами, Кавказом, Алтаем. Остатки этого ледника до сих пор сохранились на острове Гренландия, рис.3. А 50 тысяч лет назад толщина ледяных шапок всего севера Европы достигала 3-х километров! Длительность каждого из десятков предыдущих оледенений составляла около 90 тыс. лет и сменялась потеплением, длившимся примерно 10 тыс. лет. Обсуждаемые сравнительно регулярные колебания климата между ледником и потеплением продолжаются уже несколько миллионов лет. При этом оказывается, что существующий сейчас период потепления заканчивается.

Однако космические исследования последних семи лет показали, что возможен и еще один сценарий. Он заключается в полном внезапном исчезновении и воды, и атмосферы на планете.

Эта жуткая возможность была обнаружена на планете Марс. Космические станции передали, что атмосферное давление на Красной планете в тысячу раз меньше, чем на Земле, а средняя температура равна – 63 oC. Эта температура близка к условиям конденсации «сухого льда», то есть углекислого газа, рис.5.

Рис.5. Фотография Марса, сделанная марсоходом Куриосити, https://img-s3.onedio.com/id-56ab6887388293dd09105667/rev-0/raw/s-cbbda3fcdd09de96fcae43fcb3a971648c2c7292.jpg

Низкая температура и отсутствие воды на Марсе – не очень большая сенсация. Однако анализ снимков, полученных с Марса, проведенный грамотными специалистами показал, что вода на Марсе – была! Довольно давно, 2 миллиарда лет назад. Но – имелась! При этом и температура была настолько высокой, что вода текла в виде огромных рек! Свидетельством сказанного служат обнаруженные марсоходом так называемые гидратированные породы, то есть минералы, образованные водой. Сохранился и характерный рельеф, сформированный мощной водной эрозией. С космической станции, Марс Орбитер, вращающейся вокруг Марса, отчетливо видны характерные русла древних рек, рис.6. Кроме того, методами «нейтронного каротажа» обнаружен замороженный лед под песками Марса (см. например, https://izverzhenie-vulkana.ru/2018/12/nejtronnyj_karotazh_marsa_prodolzhaetsya_sedmoj_god.html).

Таким образом, Марс тоже подвергся значительной климатической катастрофе. Однако, в отличие от Венеры, произошло не нагревание, а замораживание поверхности планеты. Не грозит ли такой же сценарий Земле?

Рис.6. Русла высохших рек на Марсе, снимок с орбитальной станции Марс Орбитер, https://top10a.ru/wp-content/uploads/2019/12/7-37.jpg

«Замораживание» Марса нельзя «списать» на его удаленность от Солнца. Нетрудно повторить для него упрощенный расчет температуры. Учтем, что радиус орбиты Марса примерно в 1,5 раза больше Земного. Используя формулы для оценок его температуры, получим, T М= 238 K = – 35 oC. Рассчитанная таким образом температура заметно выше реальной, равной – 63 oC. Забегая вперед, заметим, что такое отличие легко объяснить практически полным отсутствием парникового эффекта для разреженной атмосферы Марса. Но куда делась эта атмосфера?

Необходимо заметить, что «обычное» оледенение севера Европы не так страшно, как катастрофа типа марсианской. Дело в том, что оледенения предыдущих 400 тыс. лет не распространялись южнее 60-ти градусов северной широты. И, что важнее, не сопровождались глобальным высыханием. Пока есть лёд на планете, он может растаять, рано или поздно. И жизнь в ледяную пустыню – вернётся. Между тем Марс, по-видимому, навсегда останется и замороженной, и безводной пустыней .

Таким образом, возможны четыре сценария развития климата Земли. 1) Превращение в раскаленную Венеру, 2) возвращение ледникового периода мамонтов и питекантропов, 3) вымерзание планеты по типу Марса и, наконец, 4) сохранение «райского» климата современности. Следует также отметить, что помимо экстремальных катастроф возможны «мелкие», подобные «малому ледниковому периоду», рассматриваемому ниже.

Что общего между рассмотренными выше катастрофами? На этот вопрос отвечает современный раздел теории тепловых явлений. Он называется «синергетика». Оказывается, что среди «обычных» тепловых процессов, примерами которых являются нагрев, охлаждение, сжатие, расширение и другие процессы, происходящие в однородных жидкостях и газах, имеются и «необычные». За их открытие Илья Ефимович Пригожин получил Нобелевскую премию. Синергетические процессы отличаются от прочих явлений наличием трех следующих признаков: самопроизвольность, непредсказуемость и катастрофичность, https://www.dropbox.com/s/95bqng6rgiocpmo/s7.docx?dl=0. Яркий пример синергетического процесса – смерч, рис.7. Он возникает «сам собой», неожиданно и очень «резко», катастрофично.

Рис.7. Смерч, https://funart.pro/uploads/posts/2020-03/1584101898_20-p-foni-s-tornado-74.jpg

Смерч отличается от «обычных» туч тем, что он вращается вокруг своей оси. Он всасывает окружающий воздух (вместе с различными предметами, например, автомобилями). Смерч похож на трубу, соединяющую облако на небе с поверхностью Земли.

Известен другой яркий пример синергетического процесса. «Обычный» нагрев жидкости не вызывает никаких неожиданностей вплоть до температуры кипения. Однако при определенных условиях, еще до кипения, на поверхности жидкости внезапно иногда появляются своеобразные «узоры», похожие на шестигранный паркет, рис.8. Явление называется «ячейки Бенара». Неразумная жидкость превращается в своеобразного художника.

Рис.8. Ячейки Бенара, https://i.ytimg.com/vi/v2vMXmuC818/maxresdefault.jpg

Ячейки Бенара существуют не только в «пробирках» ученых. Космическая станция «Кассини» прислала фотографию облаков на полюсе Сатурна. Они образуют почти правильный шестиугольник, подобный ячейке Бенара, рис.9. Наблюдения, начатые еще станциями Вояджер-1 и Вояджер -2 и продолженные Кассини, показали, что правильная фигура, которая видна на рисунке, стабильна уже в течении более 20 лет. Предполагается, что эта структура образуется потоками тепла, которые распространяются от центра планеты-гиганта к ее поверхности. Источники тепла пока неизвестны.